按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
第一章 有机的与非生命的地球，一种动态的结合
如果有机会乘坐时间机器“作一次旅行，去对远古时代地球上自然发生的各种变化进行测年和测量，我想，大概没有一位活着的地球科学家会不马上抓住这一机会的。地球科学家可以超越数千年时间，观察地球表面大陆的漂移，这种移动不仅改变了大陆的位置及大气成分，而且使它们携带的生命也发生了变化。地球科学家还可以监视影响生命进化的空气、陆地和水的变化。只要适当注意，他们还能检测到生命反过来是如何改变了空气、陆地和水的性质的。有机物与无机物是互相联系的，具体表现在地球化学与生物学、地质学与气候学的关系上。在时间机器中，一切都在运动着，在不停地变化着，就如一张由生命和无生命单元的动态结合所构成的巨大、错综复杂并且变化着的网。如果没有非凡的想象力，一般的观察者是不会轻易理解这一图案的，除非他或她是一种怀着对地球的好奇的群体的一员，这一群体的人们使用一些精致的方法，来揭示远古以来曾出现过的大量的各种图案。这一群体以及他们所采用的方法，当然就是我们今天所称之地球系统科学的主要构成部分。
这种动态过程发生在地质时代。地质时代是一种几乎难以想象的时间跨度，在这里，1000年仅仅是一瞬间。威尔斯（H G．Wells）《时间机器》中的人物可以看到几个世纪以来文明的演变；在一个非常坚固、可以回溯至十分久远时代的装置里旅行的生物学家或地质学家或气候学家，可以观察到有机体的进化过程，以及它们与地球之间的相互关系。
一段特别值得一游的时期将是生命的萌芽时期，那就是大约35亿年以前的所谓的太古代时期。在那里，我们或许会解决一个重要的科学谜案，这一谜案不仅包含了地球系统科学，而且处在围绕全球变暖和我们针对地球的一些无意识实验的危害这一现代科学论争的中心。我们会在那里看到什么？
我们将会看到太阳从天空云彩背后冉冉升起，看到高耸的、喷着烟雾的火山，看到海浪在轻轻拍打着既无树木，也无杂草的瘠薄的平地。海岸线上凸立的是一些古怪的、～米见方的、蘑菇状的石块。如果没有保护眼睛和皮肤的装置，我们不敢离开我们的时间机器，因为外面紫外线辐射强度极高，高到足以对陆地或空气中所有已知的生命的生存构成威胁。我们还必须佩戴氧气面罩，因为大气主要由二氧化碳气体组成，虽然存在一些氧气，但其含量大约只有今天的一亿分之一。大气温度高达38C，但正午的太阳比起我们所熟悉的全新世间冰川期（我们生活的时代）的太阳似乎要暗淡一些，而且显得要小一些。我们的时间机器外部的太阳能接收面板显示接收的能量约为600瓦，这大概是我们今天所接收的太阳能的四分之一。35亿年以前的太阳要比今天的太阳小。
原因何在？当我们将核物理学引入太阳系各种作用的研究中来时，我们发现与它的大多数同类星体一样，太阳也随着把氢转变为氮的热核反应而变得越来越大，其亮度也不断增加。大多数科学家相信，自地球诞生以来的大约45亿年间，太阳的发光度增加了约30％，其中有5％是在过去到乙年间增加的。就是在这6亿年间，生命快速进化，在我们今天挖掘到的岩石中留下了无法洗去的化石印记。
超级温室效应
如果将进入地球的太阳能削减25％左右，大多数气候学家会毫不迟疑地认为这将使我们陷入严寒之中。但是，在太古代，气候明显温热，而且没有冰冻天气——请记住，我们的时间机器的室外温度计所给出的读数是暖烘烘的38C。这一疑难问题就是众所周知的“弱早期太阳佯谬（early faint sun Paradox）”。在1970年，康奈尔大学的卡尔·萨根（Carl Sagan）和乔治·马伦（GeorgeMullen）提出了一种解决这一疑难的观点：一种超级温室效应。他们认为，甲烷和氨这两种气体能够在地球大气层的下部非常有效地俘获红外辐射，而太古代可能有大量的甲烷和氨，它们俘获的红外辐射足以弥补太阳辐射的不足，从而保持一种温热的气候。批评者认为上述观点是怪诞的。他们指出甲烷和氨是异常活跃的气体，而且在大气圈中的寿命较短，因此要取得上述效应，就必须不断地向大气补充这两种气体（一般假定是生物对之进行补充入果真如此，太古代又如何能够聚集起足够数量的甲烷和氨以使地球保持足够的温热来维持生命的延续？我们对此一无所知，而这也是为什么时间机器对那些热衷于探究地球奥秘者来说，是如此奇妙的一种想象的原因之一。
虽然对太古代时期的甲烷（CH。）和氨（NH。）是由生物过程还是由与生物体无关的其他过程产生这一问题，人们至今仍莫衷一是，但萨根和马伦的基本思想已被大多数学者接受。然而，当代研究表明主要的超级温室气体是CO。，而不是CH或NH3。但上述理论的阴影在今天仍笼罩着我们。如果太古代确实出现过萨根他们所推测的那种现象，那么这种现象会否再现？
要回答这一重要问题，我们必须了解影响大气圈成分和结构的各种过程。
在科学上，了解的增多并不总是意味着肯定性的增加，至少在一个假说的早期是如此。对一个问题的解决常常会产生另一个新的问题。这里的问题是：为使太古代保持温和的气温，如果当时的CO。含量数百倍于现代，那么，在此后的30亿年间，随着太阳发光度增加了大约25％，又是什么作用使得地球气候没有相应出现急剧过热的情形？
这一疑难问题的答案（事实上只是一些假说）通常有两种（有时是矛盾的）类型：一种理论认为是通过无机地球化学过程带走一定的CO。来达到对温度和CO。含量的控制；另一种观点认为COZ的带走是由生物过程来控制的；也有人认为两种过程都起作用。木管是哪一种观点，它们都是以一种被称为负反馈的作用为基础的。
我们这些热血动物都具有起稳定作用的负反馈机制。我们拥有生理学家所称之体内平衡系统。如果太热，我们通过出汗来达到一种负的或稳定的反馈。如果太冷，我们会颤抖，这是一种提高新陈代谢水平以产生热量的力学行为，它也是一种稳定的反馈。
在气候系统的众多反馈过程中，有些起着稳定作用，相当于一个恒温器，有些则起着降低稳定性的作用。例如，如果地球变热起来，雪和冰将会出现什么后果？某些会融化，这种融化的结果将是以绿树或棕色沙漠或蓝色海洋取代原先明亮、洁白、高反射的冰雪告终。绿树或棕色沙漠或蓝色海洋的颜色要比雪原深，因此将吸收更多的阳光。如果我们能够以某种方式使地球变热井因此使一部分雪融化，地球将吸收更多的阳光，而这种反馈机制将会加速变热过程。这是一种正反馈。但是，如果加热引起更多的水发生蒸发并形成白云，这将会有更多的阳光被反射回太空，从而降低地球的热量，这就是一种负反馈。
让我们再回到有关C（）z含量降低机制的争论。针对地球化学过程控制大气CO。含量这一模型，1980年，詹姆斯·沃克（JamesWalker）、保罗·海斯（Paul Hays）及詹姆斯·卡斯廷（JamesKasting）这几位当时都在密执安大学工作的学者，提出了一个风化一气候稳定反馈系统，这一系统被他们的同事们称为WHAK系统（他们几位名字的首字母之组合）。这几位学者指出，伴随气温的变暖，有更多的水蒸发，降雨以及水土流失的增加使水文循环更具活力。
WHAK机制运作的时间尺度是数千万年至数亿年。它本身并没有试图来描述短周期的CO。变化，这种变化可以解释恐龙时代的极热，以及2万年前本次冰川期的极冷（后面将要对此予以评述）。
如果大气中有高的CO。含量，CO。与雨水的结合产生碳酸，降雨的增加将使地表的矿物遭受大量碳酸的风化作用。在WHAK系统所提出的风化作用中，钙镁硅酸盐将与大气中的碳结合，降低大气的CO。含量，并将碳固定在碳酸钙（石灰岩）和碳酸镁（白云石）等沉积岩中。大气CO。含量的减低意味着温室作用的减弱，因此，通过这种无机负反馈过程，使地质历史时期由太阳发光度增加所引起的温度升高得到抵消。
盖亚假说是真的吗
太古代随着太阳发光度的增加，大气具有高的CO。含量，第二种假说认为＊0。的降低与生物学过程有关。英国科学家兼作家詹姆斯·洛夫洛克（JamesLovelock）曾提出了一种生物负反馈机制的设想。他试图解释生命如何在全球规模上作为一个自动负反馈系统发挥其作用。在他的邻居、作家威廉·戈尔丁（WilliamGolding）的建议下，洛夫洛克借用希腊神话中大地女神盖亚（Gala）的名字将自己的假说命名为“盖亚假说”。科学家们起初并没有认真对待这一假说，而且至今仍有一些人对它持批评态度。这一假说认为地球的大气圈是生物自身的一个不可缺少的、有规律的、必然的组成部分，千百万年以来，生物控制了大气圈的温度、化学成分、氧化能力以及酸度。“盖亚假说”的拥护者认为生物对地球的环境起着积极的控制作用。洛夫洛克的机制基于下述这样一种假定：即发生光合作用的微生物（如浮游植物），易于在CO。含量高的环境里繁殖，因此这些微生物将会迅速地（指在地质时间框架内）从空气和海洋中带走C（）。，转变成碳酸钙。当它们死亡之后，这些碳酸钙沉积物会下沉至海底。
洛夫洛克和微生物学家林恩·马古利斯（I。gun Margulis）多年来一直坚持认为，如果不是生物在起作用，地球的大气圈将是CO。占绝对主导地位，地球与其姐妹行星火星和金星将没有两样。他们指出，这种以C（）。为主的大气圈产生～种强大的温室效应，使地球的温度比现今要高出60C左右，足以烧焦各种生物。
上述假说的反对者的反驳意见是，在地球上出现生物后的大部分时间里，并没有进化出浮游植物，既然如此，这一CO；消耗机制又怎能被用来解释“晚近”（即过去几亿年）之前的“弱早期太阳作谬”？“盖亚假说”支持者对此的一种回答是，推测自生命开始以来即存在于海水之中的藻类可以分泌能固定一些碳的固体物质。确实，我们在太古代海滨所见的蘑菇状岩石就是一些叠层石，它们是生活在自身分泌的含碳的坚硬物质中的有光合作用的蓝绿藻的堆积作。今天人们仍能找到这些游绿藻的后代，它最常见于澳大利亚西部的沙克湾。
叠层石的进化历史较末代恐龙的长50倍。然而，人们并没有定量地证明，地质历史时期曾经存在足够多的这类生物体的结构，它们消耗了大量的CO。。因此，叠层石的作用仍是～个尚待解决的问题。
有时候会出现～些新的理论来调和一些互相对立的假说［这些假说即为哲学家托马斯·库恩（Tho。as Kuhn）所指之对立的范例（naraaigms ）j。在我看来，虽然现在肯定“盖亚假说”的真实性尚为时过早，但这一假说的支持者确实提出了一些新的明智的见解，从气候变化中的生物调节作用寻找弱早期太阳佯谬的答案。例如，霍华德大学的戴维·施瓦茨曼（David Schwartzman）及纽约大学的泰勒·沃尔克（Tyler Volk）不留常规，另辟踢径，认为太古代时期的气温既不是很热也不是很冷（见图二。l）。相反，这两位学者指出，只是当无机因素使他表温度降低到一定程度（如低达60℃～70C）后，才使原始细菌得以生存，此时，“盖亚假说”才发挥作用。随后几十亿年的生物进化在几亿年前达到高潮，出现了树木和花卉，生命的不断发展降低了CO。含量，从而结束了超级温室效应。随着地质时代温度的降低，更多形式的生命得以生存下来，它们反过来又通过消耗CO。参与了“盖亚假说”的负反馈过程。
沃尔克和施瓦茨曼提出了一种消耗CO的特殊机制——“风化的生物加强作用”的假设，该机制认为土壤中的生物群使矿物和风化化学物质之间的接触面积增加，从而大大提高了风化作用的速度。提出这一大胆设想的两位学者注意到了下面这一重要的、相矛盾的地质事实：自20亿年前以来，多次出现岩石表面被磨损和铲到的明显证据，它们与现代冰川所造成的印痕同属一类。因此，传统的地质学思维方法认定在地球历史的大部分时期存在多期冰川作用。如果这种结论成立的话，那么自太古代到进化出现复杂有机体的6亿年前这段时间内，地球的温度就不会像“盖亚假说”所要求的那样炎热。然而，“盖亚假说”的支持者们如同训练有素的律师一般，试图为这些与他们的假说相侼的证据作出另一种解释。比如，针对上述证据，沃尔克和施瓦茨曼指出岩石表面的擦浪是由诸如流星和小行星等外来物与地球的碰撞造成的碎屑流引起。这一问题的解决将成为地学研究者在探究地球系统科学的尝试中的收获之一。
尽管围绕CO。的消耗及温度问题仍存在争议，但没有人会怀疑生物在形成氧气这一空气中最主要的成分过程中所起的不可缺少的作用。光合作用利用太阳能将CO。和水转变成碳水化合物和氧分子。这一反应的逆过程就是生物的氧化作用和腐烂作用，即碳水化合物与氧结合，释放出热量，产生Ct）和水蒸气。将无权的CO。分子分解并合成有机的碳水化合物和氧需要利用太阳能来进行。同样，生物的氧化作用和腐烂作用则要利用氧气并释放出碳水化合物的化合键所储存的化合能。这种“生物能”可使热血动物产生自身的内部热量，这也解释了树木为什么可以作为一种燃料来燃烧。矿物燃料之所以能够燃烧是因为它们都是有机物质的残余，这些以碳为主的有机分子蕴藏着曾用来将CO。转变成植物体的古代太阳能。大多数生物最后都要经历腐烂过程，但这些有机物残余则不然，它们所含的碳分子以化石这种形式被保存下来。
这种情形的出现一般要经历一段缺氧的埋藏环境。如有机物先在内陆浅海底部沉积下来，然后遭受密闭、压实作用，并且随着时间的推移，有机物质经过化学变化转化为煤、石油以及甲烷（天然气）。我们今天点燃一块煤，实际上是在还原有机物残余中恐龙时代的CO。和太阳热量。一座煤矿的形成需要数百万年的时间，但人类释放煤中的CO。和其他化学元素则只需数十年的时间。这一人为加速的过程产生了我们今天最大的全球问题，并使气候学家和生态学家均为之忧心忡忡。为了明智地讨论上述问题，科学家们需要掌握确定时间的方法。他们不仅要确定岩石的形成时代（绝对时代），而且要确定一层岩石相对于其上下岩层而言的对比年代（相对年代）。
为古老的地球定年龄
地球并不是一直被认为有几十亿年的年龄的。早在18世纪，在法国和英格兰，人们就对地球的年龄争论不休。这场争论起先发生在神学家和科学家之间，后来科学家内部也出现了分歧。最早赋予地球绝对年龄的是一些神学家，对他们的结论提出话问会被认为是离经叛道。1645年，爱尔兰阿尔马大主教詹姆斯·厄舍（JamesUssher）引用圣经里列举的资料（实际上他是根据圣经人物的世代关系回溯创世历史），宣称上帝创世事件发生在公元前4004年10月26日上午9点整。到了19世纪早期，大多数地质学家明显地感到大主教的推测不大可能正确，甚至与真实情况相去甚远。
18世纪，苏格兰地质学家詹姆斯·赫顿（James Hutton）以及他的一些同代人相信，塑造地球表面的物理和化学过程清楚地证明地球至少有几千万年的历史。他们的这一估计是根据一种被称为均变论（与突变论相对立）的地质学原理得出来的。均变论认为过去的地质作用实质上与今天正在进行的地质作用相同（这一概念在接下来的几页里将要多次提及）。例如，赫顿提出粘土和粉砂在现代河口的沉积方式是可以被视察到的。通过研究这些新的沉积层如何固结为页岩和粉砂岩，人们就可以推断老沉积层堆积所需的时间。如果假定在过去数百万年间发生相同的地质作用，我们就能够估计类似地层的年代，并得出地球的大致年龄。然而，这种采用岩层作为年代标志的方法所依靠的许多变量过于复杂，以致难以进行准确测量。比如，气候的变化以及陆地升高的差异可以改变剥蚀和沉积的速率。
图1．1所示的是根据现代测年技术而建立的一张地质年表序列。应当指出，虽然19世纪的地